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SIFONES Definición:
Un sifón es un dispositivo hidráulico que se utiliza para trasvasar un líquido de un recipiente a otro. Consiste simplemente en un tubo en forma de U invertida, en la que una de las ramas es más larga que la otra. Queremos trasvasar agua entre dos depósitos (vasos), uno más alto que el otro, hasta que se igualen los niveles de agua. El problema que se nos presenta es que necesitamos que el agua ascienda Un sifón es un dispositivo que permite al agua de un canal o acueducto, pasar por debajo de un camino o por una vaguada para retomar su nivel al otro lado y continuar su curso. Físicamente se basa en los vasos comunicantes. APLICACIONES: Para atravesar depresiones en el terreno: Sirve para atravesar obstáculos que están a una cota más baja del canal, si se encontrara con algún caso parecido lo que se debe hacer es conectar el canal con un sifón en “U” para salvar el obstáculo.
Para instalaciones sanitarias en edificios: una aplicación común de los sifones es en los desagües de los aparatos sanitarios, para evitar que el mal olor de las materias en putrefacción del alcantarillado salga por el orificio de desagüe de los aparatos. El modelo más clásico (y el que mejor funciona hidráulicamente) consiste en un tubo en forma de "S" tumbada, de manera que, al desaguar el aparato, el agua llena las dos ramas del tubo, hasta el nivel de desagüe
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de la segunda, manteniendo un tapón de agua limpia que cierra la entrada de olores.
Como descargador de seguridad en canales: Aprovechando las características hidráulicas de los sifones invertidos, estos son más eficientes que los vertederos libres para descargar el agua que, por alguna maniobra equivocada aguas arriba, podría desbordarse de un canal provocando daños a las estructuras, por ejemplo, de canales de riego.
CONSIDERACIONES DE DISEÑO Las dimensiones del tubo se determinan satisfaciendo los requerimientos de cobertura, pendiente del tubo, ángulos de doblados y sumergencia de la entrada y salida. • En aquellos sifones que cruzan caminos principales o debajo de drenes, se requiere un mínimo de 0.90 m de cobertura y cuando cruzan caminos parcelarios o canales de riego sin revestir, es suficiente 0.6 m. Si el sifón cruza un canal revestido se considera suficiente 0.30 m de cobertura. • En el caso particular del cruce con una quebrada o río de régimen caudaloso, deberá hacerse un estudio de profundidad de socavación
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para definir la profundidad en la que deberá cruzar o enterrar la estructura de forma segura sin que esta sea afectada. • La pendiente de los tubos doblados, no debe ser mayor a 2:1 y la pendiente mínima del tubo horizontal debe ser 5 o/oo. Se recomienda transición de concreto a la entrada y salida cuando el sifón cruce caminos principales en sifones con ∅ mayor o igual a 36’ y para velocidades en el tubo mayores a 1 m/s. • Con la finalidad de evitar desbordes agua arriba del sifón debido a la ocurrencia fortuita de caudales mayores al de diseño, se recomienda aumentar en un 50% o 0.30 m como máximo al borde libre del canal en una longitud mínima de 15 m a partir de la estructura. • Con la finalidad de determinar el diámetro del tubo en sifones relativamente cortos con transiciones de tierras, tanto a la entrada como a la salida, se puede usar una velocidad de 1 m3 • Las pérdidas de carga por entrada y salida para las transiciones tipo “Cubierta Partida”, se pueden calcular rápidamente con los valores 0.4 y 0.65 hv respectivamente (Ver. Fig. 2.15) o con lo manifestando en los ítems 2.4 y 2.5. /s, en sifones con transiciones de concreto igualmente cortos se puede usar 1.5 m/s y entre 3 a 2.5 m/s en sifones largos con transiciones de concreto con o sin control en la entrada. • A fin de evitar remansos aguas arriba, las pérdidas totales computadas se incrementan en 10%. • En el diseño de la transición de entrada se recomienda que la parte superior de la abertura del sifón, esté ligeramente debajo de la superficie normal del agua, esta profundidad de sumergencia es conocida como sello de agua y en el diseño se toma 1.5 veces la carga de velocidad del sifón o 1.1 como mínimo o también 3”. • En la salida la sumergencia no debe exceder al valor Hte/6. • En sifones relativamente largos, se proyectan estructuras de alivio para permitir un drenaje del tubo para su inspección y mantenimiento. • En sifones largos bajo ciertas condiciones de entrada puede no sellarse ya sea que el sifón opere a flujo parcial o a flujo lleno, con un coeficiente de fricción menor que el sumido en el diseño, por esta razón se recomienda usar n = 0.008 cuando se calcula las pérdidas de energía.
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• Con la finalidad de evitar la cavitación a veces se ubica ventanas de aireación en lugares donde el aire podría acumularse. • Con respecto a las pérdidas de carga totales, se recomienda la condición de que estas sean iguales o menores a 0.30 m. • Cuando el sifón cruza debajo de una quebrada, es necesario conocer el gasto máximo de la creciente. • Se debe considerar un aliviadero de demasías y un canal de descarga inmediatamente aguas arriba de la transición de ingreso. • Se recomienda incluir una tubería de aeración después de la transición de ingreso • Se debe analizar la necesidad de incluir válvulas rompe presión en el desarrollo de la conducción a fin de evitar el golpe de ariete, que podría hacer colapsar la tubería (solo para grandes caudales). • Se debe tener en cuenta los criterios de rugosidad de Manning para el diseño hidráulico • Se debe tener en cuenta los criterios de sumergencia (tubería ahogada) a la entrada y salida del sifón, a fin de evitar el ingreso de aire a la tubería.
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SALTOS DE AGUA El salto hidráulico es un fenómeno de la ciencia en el área de la hidráulica que es frecuentemente observado en canales abiertos como ríos y rápidos. Cuando un fluido a altas velocidades descarga a zonas de menores velocidades, se presenta una ascensión abrupta en la superficie del fluido. Éste fluido es frenado bruscamente e incrementa la altura de su nivel, convirtiendo parte de la energía cinética inicial del flujo en energía potencial, sufriendo una inevitable pérdida de energía en forma de calor. En un canal abierto, este fenómeno se manifiesta como el fluido con altas velocidades rápidamente frenando y elevándose sobre él mismo, de manera similar a cómo se forma una onda-choque Aplicaciones Las aplicaciones prácticas del salto hidráulico son muchas, entre las cuales se pueden mencionar:
Para
la
disipación
de
la energía del
agua
escurriendo
por
los vertederos de las presas y otras obras hidráulicas, y evitar así la socavación aguas abajo de la obra;
Para recuperar altura o levantar el nivel del agua sobre el lado aguas abajo de un canal de medida y así mantener alto el nivel del agua en un canal para riego u otros propósitos de distribución de agua;
Para incrementar peso en la cuenca de disipación y contrarrestar así el empuje hacia arriba sobre la estructura;
Para incrementar la descarga de una esclusa manteniendo atrás el nivel aguas abajo, ya que la altura será reducida si se permite que el nivel aguas abajo ahogue el salto.3
Para aerear el agua para abastecimiento de agua a las ciudades.
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CAÍDAS Las caídas o gradas, son estructuras utilizadas en aquellos puntos donde es necesario salvar desniveles bruscos en la rasante del canal; permite unir dos tramos (uno superior y otro inferior) de un canal, por medio de un plano vertical, permitiendo que el agua salte libremente y caiga en el tramo de abajo. El plano vertical es un muro de sostenimiento de tierra capaz de soportar el empuje que estas ocasionan. La finalidad de una caída es conducir agua desde una elevación alta hasta una elevación baja y disipar la energía generada por esta diferencia de niveles. La diferencia de nivel en forma de una caída, se introduce cuando sea necesario de reducir la pendiente de un canal. La caída vertical se puede utilizar para medir el caudal que vierte sobre ella, si se coloca un vertedero calibrado. Elementos de una caída vertical En el diseño de una caída, se pueden distinguir los siguientes elementos:
Transición de entrada: une por medio de un estrechamiento progresivo la sección del canal superior con la sección de control. Sección de control: es la sección correspondiente al punto donde se inicia la caída, cercano a este punto se presentan las condiciones críticas.
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Caída en sí: la cual es de sección rectangular y puede ser vertical o inclinada. Poza o colchón amortiguador: es de sección rectangular, siendo su función la de absorber la energía cinética del agua al pie de la caída. Transición de salida: une la poza de disipación con el canal aguas abajo. PROCEDIMIENTO PARA EL DISEÑO DE UNA CAÍDA SIN OBSTÁCULOS 1. Diseño del canal, aguas arriba y aguas abajo de la caída Utilizar las consideraciones prácticas que existen para el diseño de canales. a. Cálculo del ancho de la caída y el tirante en la sección de control En la sección de control se presentan las condiciones críticas. Para una sección rectangular las ecuaciones que se cumplen son las siguientes:
Se puede asumir que Emin= En (energía específica en el canal), para inicio de los cálculos y realizar la verificación. Existen fórmulas empíricas para el cálculo del ancho de la rápida, las cuales son: • De acuerdo a Dadenkov, puede tomarse:
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b. Diseño de la transición de entrada Para el caso de una transición recta la ecuación utilizada es:
c. Cálculo de la transición de salida Se realiza de la misma forma que la transición de entrada d. Dimensiones de la caída 1. Caídas pequeñas De acuerdo con los diseños realizados por el SENARA, en canales con caudales menores o iguales que 100 l.p.s (Q ≤ 0.1 m3/s), se tiene:
1.1 Caídas verticales sin obstáculos El proceso de cálculo para caídas verticales sin obstáculos es como sigue: • Calcular el número de caída utilizando la siguiente relación:
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Calcular los parámetros de la caída vertical, los cuales se muestran en la figura 4.2. Estos parámetros, según Rand (1955), se calculan con un error inferior al 5 %, con las siguientes ecuaciones:
Calcular la longitud del resalto, se puede calcular con la fórmula de Sieñchin:
Calcular la longitud total del colchón, la cual será:
1.2
Caídas verticales con obstáculos
Cuando la energía cinética es muy grande se construyen dados que ayudan a disipar la energía en una longitud más pequeña de la poza de disipación.
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e. Longitud mínima del colchón:
Donde: L = longitud mínima del colchón Ld = longitud de la caída Yc = tirante crítico en la sección de control Ubicación de los obstáculos:
Profundidad mínima de la capa de agua:
Altura óptima de los obstáculos:
Ancho de los obstáculos:
Espaciamiento entre los obstáculos:
Altura óptima del obstáculo final:
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RÁPIDAS Las rápidas son estructuras que sirven para enlazar dos tramos de un canal donde existe un desnivel considerable en una longitud relativamente corta. La decisión entre la utilización de una rápida y una serie de caídas escalonadas está supeditado a un estudio económico comparativo. Elementos de una rápida Los elementos de una rápida se muestran en la figura, la cual está compuesta de:
Transición de entrada: une por medio de un estrechamiento progresivo la sección del canal superior con la sección de control. Sección de control: es la sección correspondiente al punto donde comienza la pendiente fuerte de la rápida, manteniéndose en este punto las condiciones críticas. En la rápida generalmente se mantiene una pendiente mayor que la necesaria para mantener el régimen crítico, por lo que el tipo de flujo que se establece es el flujo supercrítico. Canal de la rápida: es la sección comprendida entre la sección de control y el principio de la trayectoria. Puede tener de acuerdo a la configuración del terreno una o varias pendientes. Son generalmente de sección rectangular o trapezoidal. Trayectoria: es la curva vertical parabólica que une la última pendiente de la rápida con el plano inclinado del principio del colchón OBRAS HIDRAULICAS
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amortiguador. Debe diseñarse de modo que la corriente de agua permanezca en contacto con el fondo del canal y no se produzcan vacíos. Si la trayectoria se calcula con el valor de la aceleración de la gravedad como componente vertical, no habrá presión del agua sobre el fondo y el espacio ocupado por el aire aumentará limitándose así la capacidad de conducción del canal, por le que se acostumbra usar como ~.omponente vertical un valor inferior a la aceleración de la gravedad o incrementar el valor de la velocidad para que la lámina de agua se adhiera al fondo del canal. Tanque amortiguador, colchón disipador o poza de disipación: es la depresión de profundidad y longitud suficiente diseñada con el objetivo de absorber parte de la energía cinética generada en la rápida, mediante la producción del resalto hidráulico, y contener este resalto hidráulico dentro de la poza. Se ubica en el extremo inferior de la trayectoria. Transición de salida: tiene el objetivo de unir la poza de disipación con el canal aguas abajo Zona de protección: con el fin de proteger el canal sobre todo si es en tierra, se puede revestir con mampostería. 1. Diseño de la transición de entrada Para el caso de una transición recta la ecuación utilizada es:
Tramo inclinado o Canal de la rápida.- La sección usual para una rápida abierta es rectangular, pero las características del flujo de otras formas de sección, deben ser consideradas donde la supresión de ondas es una importante parte del diseño. La economía y facilidad de construcción son siempre consideradas en la elección de una sección. Cuando es necesario incrementar la resistencia del tramo inclinado al deslizamiento, se usan (uñas) para mantener la estructura dentro de la cimentación.
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La ecuación de BERNOULLI es usada para calcular las variables de flujo al final del tramo inclinado. La ecuación: d1 + hv + Z = d2 + hv (5) Es resuelta por tanteo. La distancia Z es el cambio en la elevación del piso. Para tramos inclinados de longitud mayor que 9 m (30 ps), se incluyen las pérdidas por fricción y la ecuación será: d1 + hv + Z = d2 + hv2 + hf d1 = tirante en el extremo aguas arriba del tramo (m) hv1 = carga de velocidad en el extremo aguas arriba del tramo (m) d2 = tirante en el extremo aguas abajo del tramo (m) hv2 = carga de velocidad en el extremo aguas abajo del tramo (m) La pendiente de fricción Sf, en un punto del tramo inclinado es calculado como: Sf = (h2v2)/R4/3 Donde: R = radio hidráulico del tramo inclinado (m) 2. Trayectoria Cuando el disipador de energía es una poza, un corto tramo pronunciado debe conectar la trayectoria con la poza disipadora. La pendiente de este tramo seria entre 1.5:1 y 3:1, con una pendiente de 2:1 preferentemente. Pendientes más suaves pueden usarse en casos especiales, pero no deben usarse pendientes más suaves que 6:1. Se requiere de una curva vertical en el tramo inclinado y el tramo con pendiente pronunciada. Una curva parabólica resultaría en un valor de k constante en la longitud de la curva y es generalmente usado. Una trayectoria parabólica puede ser determinada con la siguiente ecuación: 2 Y = X tan Ѳo + ((tan ѲL - tan Ѳo) x )/2LT Donde:
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X = distancia horizontal desde el origen hasta un punto sobre la trayectoria. (m) Y = distancia vertical desde el origen hasta un punto X en la trayectoria. (m) LT = longitud horizontal desde el origen hasta el fin de la trayectoria. (m) Ѳo = ángulo de inclinación del tramo inclinado al comienzo de la trayectoria ѲL = ángulo de inclinación del tramo inclinado al final de la trayectoria.
3. Poza disipadora En una poza disipadora el agua fluye desde el tramo corto de pendiente pronunciada a una velocidad mayor que la velocidad critica. El cambio abrupto en la pendiente, donde la pendiente suave del piso de la poza disipadora se une con el tramo corto de pendiente pronunciada, fuerza al agua hacia un salto hidráulico y la energía es disipada en la turbulencia resultante. Las pozas disipadoras requieren de un tirante aguas abajo para asegurar que el salto ocurra donde la turbulencia pueda ser contenida. b = 18.78 Q^1/2 Q +10.11 Donde: b = ancho de la poza (m) Q = Caudal (m3/s) Puede usarse a fin de determinar el ancho de una poza para los cálculos iniciales Para estructuras donde la caída vertical es menor a 4.5 m. La cota del nivel de energía después del salto hidráulico debería balancearse con al cota del nivel de energía del canal, aguas debajo de la estructura. El tirante de agua después del salto hidráulico puede ser calculado de la fórmula: D2=
-d1/d2
+
((2v 2 1
*d1/g)+
(d12*/4))0.5 Donde:
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d1 = Tirante antes del salto (m) v1 = velocidad antes del salto (m/s) d2 = tirante después del salto g = aceleración de la gravedad (9.81 m/s2)
ACUEDUCTO 1. Historia:
La palabra acueducto deriva de la palabra latina aquaeductus que significa conducción de agua. El primer acueducto se denominó “Jerwan”, construido en el año 700 a.C., en Nínive, capital de Asiria. En esa misma época, Ezequías, rey de Judá (715 a 586 a.C.), planificó y construyó un sistema de abastecimiento de agua de 30 km de longitud para la ciudad de Jerusalén. El poderoso Imperio Romano desarrolló muchos acueductos a partir del año 312 a.C. con fuentes de aguas subterráneas como Aqua Appia bautizado, luego, como la Vía Apia, en honor a Apio Claudio, el emperador. En el año 145 a.C., el pretor Marcio construyó el primer acueducto que transportaba agua a nivel del suelo, con 90 km de longitud, llamado Aqua Marcia. En el año 70 a.C. ya existían más de 10 sistemas que suministraban 135.000 m3 de agua al día, lo que obligó a designar como superintendente de aguas de Roma, a Sextos Julios Frontinus. Durante sus invasiones a diferentes zonas de Europa como Francia, España, Turquía y Alemania, los romanos construyeron varios acueductos. En esta última región, el acueducto de Eifel, el más grande conocido de esa época (80 años d.C.), de 130 km de largo (incluidos los ramales) desde la zona alemana de Eifel, hasta Colonia después de su caída, los acueductos del área de su jurisdicción
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dejaron de funcionar. Entre el año 500 y 1500 d.C., hubo muy poco desarrollo en este campo, específicamente en el tratamiento y purificación que, en la mayoría de los casos, se hacía con aireación. En Latinoamérica, las culturas indígenas aztecas, en México; mayas, en Guatemala; e Incas en Perú y Bolivia, crearon verdaderas obras de ingeniería para abastecer a sus poblaciones. Un ejemplo nacional es el acueducto de Guayabo, Turrialba, construido hace más de 1.000 años y declarado Patrimonio de la Ingeniería por la Asociación Americana de Ingenieros (2009). Los acueductos indígenas fueron destruidos durante la conquista española. Por esta razón, en la época de la Colonia, en Latinoamérica, se presentaron grandes epidemias debido a problemas de higiene. En tiempos más recientes se han construido extensos acueductos en Europa. El acueducto que transporta agua a Glasgow mide 56 km; el de Marsella, terminado en 1847, 97 km; el de Manchester tiene 154 km de longitud; el de Liverpool mide 109 km; y el segundo acueducto Kaiser Franz Joseph, en Viena mide 232 kilómetros. En EEUU se han construido complejos sistemas de acueductos para transportar agua a las ciudades como Boston, Baltimore, Washington, St. Louis, Nueva York y Los Ángeles. El sistema de acueductos que suministra agua a la ciudad de Nueva York tiene más de 322 km de longitud; la mayor parte es subterránea. Los principales acueductos bajo la ciudad de Nueva York se encuentran de 60 a 180 metros por debajo del nivel del mar. El acueducto Delaware transporta diariamente 3 millones de m3 de agua desde los Montes Catskill a Nueva York; su longitud, 137 km, lo convierte en el túnel de transporte continuo más largo del mundo.
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2. Definición: Un acueducto es un sistema encargado de transportar agua entre dos o más puntos. Esta obra incluye tanto al medio físico a través del cual el fluido será transportado (tuberías, canales, etc.) como a todas las estructuras adicionales necesarias para lograr un adecuado funcionamiento del sistema (Estaciones de Bombeo, Válvulas de todo tipo, Compuertas, Reservas, etc.). Por lo general, el proyecto de construcción de un sistema de acueducto surge ante la necesidad de proveer de agua a poblaciones que no disponen de la misma, o en caso de disponer, que su calidad sea deficiente. Por estar transportando un recurso de importancia primaria para el desarrollo humano y por estar involucrada en general una cantidad importante de recursos económicos, es que el diseño correcto de esta obra se hace especialmente
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importante, sobre todo teniendo en cuenta la trascendencia social de la obra en consideración. 3. Componentes: En términos generales un sistema de acueducto consta de los siguientes elementos: 3.1. Fuente de abastecimiento: Las fuentes de abastecimiento de agua es el principal elemento de sistema de abastecimiento de agua y debe estar definida de manera previa a todo el proyecto. Las fuentes de abastecimiento pueden ser superficiales o subterráneas, la elección de una fuente depende de factores como la ubicación, disponibilidad, calidad. 3.2. Obras de captación: Las captaciones son las estructuras encargadas de realizar la derivación de agua, desde la fuente de abastecimiento hacia el sistema. El tipo de obra utilizada para el proyecto de abastecimiento depende en primer lugar del tipo de fuente de abastecimiento. 3.3. Conducción: La conducción es la encargada de transportar el líquido, en un sistema de abastecimiento se presentan conducciones entre diferentes puntos en el sistema, por ejemplo del desarenador a la planta de tratamiento, o de la planta al tanque de almacenamiento. Las conducciones pueden trabajar, desde el punto de vista hidráulico, de dos maneras:
• Flujo libre: Canales, túneles (abiertos, cerrados) • Flujo a presión: Tuberías y túneles. 3.4. Estaciones de bombeo: Las estaciones de bombeo no son necesarias en todos los sistemas de abastecimiento, se utilizan en aquellos que por razones topográficas sean necesarias. En Bucaramanga encontramos la estación de bombeo de Bosconia, ubicada hacia el norte de la ciudad. 3.5. Plantas de tratamiento de agua: Debido a que el agua natural no es apta para el consumo humano, es necesario tratarla mediante procesos físicos y químicos.
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3.6. Almacenamiento de agua: El almacenamiento se lleva a cabo por razones de funcionamiento del sistema debido a que el caudal aportado no es siempre constante, y la demanda tampoco es constante, de esta manera se almacena cuando la demanda es menor que el suministro y se utiliza cuando la demanda es mayor que el suministro. 3.7. Distribución: La distribución se realiza por medio de una red de tuberías que llevan el agua a cada domicilio. Las redes de distribución funcionan a presión.
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4. FASES DEL CICLO INTEGRAL DEL AGUA •Captación: superficial (embalses, rios), subterránea (pozos), marina. •Conducción de transporte. •Potabilización: ETAP (caso toma en mar → Desaladora). •Conducción de transporte a depósitos de regulación (reservorios). •Depósitos: de regulación, de carga, tipologías. •Conducciones de distribución a puntos de consumo = acometidas clientes. •Recogida de las aguas residuales (usadas): residuales, pluviales. •Depuración de las aguas residuales. Reutilización. PTAR. •Vertido a dominio público: cauce o mar (emisario submarino). 5. CRITERIOS BASICOS PARA EL DISEÑO •Diseño → Adecuándose a los condicionantes. Para realizar el diseño de un sistema de abastecimiento de agua es necesario considerar la vida útil del sistema, el periodo de diseño para cualquier obra de ingeniería es el número de años en los cuales una obra debe prestar de manera eficiente el servicio para lo cual fue diseñada. •Proyecto (Estudio) completo → Antecedentes; Ubicación geográfica; Demanda actual y futura en año horizonte; Geología y Geotecnia; Climatología (temperaturas, horas de sol, orientación, lluvias, nieve, nieblas, vientos, presión atmosférica); Hidrología; Hidráulica; Línea de agua; estructuras; Instalaciones eléctricas, electromecánicas; Instalaciones de automatización, telecomunicaciones, telemando y telecontrol; Instalaciones auxiliares (alumbrado, PCI, gas, protección catódica); Estudio de Medio Ambiente; Estudio de Seguridad y Salud; Residuos de Construcción y Demolición, etc. •Construcción: Conforme a proyecto, cuidando la calidad de materiales, su recepción y puesta en obra, la calidad en la ejecución y su control. •Explotación y mantenimiento: Cuando se diseña se piensa en ello para facilitarlo y hacerlo viable económicamente pues es aquí cuando se puede mejorar a menor coste.
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